Initiation à la programmation avec le langage Python

La programmation consiste à élaborer une suite d’instructions à faire exécuter par un ordinateur qui est une machine dédiée au traitement de l’information.

Cette suite d’instructions est déterminée par un algorithme et est contenue dans une entité appelée programme.

Un algorithme représente d’une manière plus ou moins précise la procédure à suivre pour obtenir un résultat à partir d’un ensemble d’informations pour répondre à une problématique.

Un être humain va construire un algorithme sous une forme qui lui parait naturelle en utilisant par exemple des phrases simples présentées de la manière la plus claire qui soit.

On peut ainsi assimiler un algorithme à une recette de cuisine qui présente de manière synthétique la suite d’opérations à effectuer pour préparer un plat à partir d’ingrédients.

Cependant, cet algorithme n’est pas directement compréhensible par l’ordinateur.

On va donc devoir traduire l’algorithme dans un langage qui lui est adapté.

L’ordinateur étant finalement qu’un assemblage de composants électroniques appelés transistors — dont le rôle est de laisser passer ou non un courant électrique à la manière d’un interrupteur — les instructions qu’il reconnait sont ‘rudimentaires’.

L’ensemble des ces instructions ‘rudimentaires’ constitue le seul et unique langage compris par un ordinateur (où plus précisément par le microprocesseur qui constitue le cerveau de l’ordinateur): c’est le langage machine.

Traduire un algorithme en langage machine est certes possible mais très, très pénible !

Pour se faire comprendre de l’ordinateur de manière plus aisée, une multitude de langages intermédiaires entre le langage humain et le langage machine ont été créés. Celui de ce cours s’appelle donc Python mais il en existe d’autres comme C/C++, Java, C#, Perl, PHP, Ruby, Fortran Cobol, Basic, Smalltalk…

L’utilisation de ce langage intermédiaire apporte un confort indéniable mais nécessite forcément une étape supplémentaire de traduction :

Cependant, comme le langage intermédiaire est très structuré, la 2^ième étape de traduction peut s’opérer de manière automatique en recourant à un programme qui porte un nom différent selon le langage choisi : interpréteur ou compilateur.

Finalement, la procédure pour faire exécuter un traitement à un ordinateur est toujours la suivante :

Comme il a été expliqué plus haut, un programme est une suite d’instructions.

Ces instructions peuvent être de différents types. Par exemple, les langages informatiques proposent tous des instructions de :

Ces instructions opèrent souvent sur des données qui sont la représentation sous forme informatique d’informations issues du monde réel (ex.: volume sonore, prix de l’essence).

Les données peuvent être de différentes natures. Par exemple, elle peuvent représenter :

Au moment de l’exécution d’un programme, les valeurs des données sont stockées dans des endroits bien précis de la mémoire de l’ordinateur.

Afin de pouvoir accéder simplement à ces données depuis un code source, on attribue un nom à chacun de leur emplacement dans la mémoire.

Cet emplacement de la mémoire caractérisé par un nom et une valeur porte le nom de variable.

En dehors, des instructions et des variables, on va souvent trouver dans un code source ce que l’on appelle des fonctions.

Une fonction est simplement un ensemble d’instructions que le programme est souvent amené à exécuter.

Ainsi au lieu de retaper cet ensemble d’instructions dans le code source à chaque fois que l’on désire l’exécuter, on va se contenter de l'écrire une fois pour toute dans une fonction. Ensuite, à chaque fois que l’on souhaite exécuter cet ensemble d’instructions, on exécute la fonction en réalisant un appel de fonction.

Le chapitre suivant dresse un panorama des principaux langages de programmation.

Le niveau d’un langage de programmation traduit aussi bien sa dépendance vis à vis du matériel sur lequel il s’exécute que sa capacité à «faciliter» la tâche du programmeur en lui proposant un ensemble de fonctionnalités de base accessibles avec une syntaxe qui tend à se rapprocher du langage humain.

Plus le niveau est bas, plus on se rapproche du matériel.

Python est souvent considéré par ses adeptes comme un langage de très haut niveau pour le différencier un peu des langage C/C++, Java, PHP, Perl qui sont des langages de haut niveau.

Il s’oppose alors à des langages bas niveau tels que les langages machine ou assembleur.

Il n’y a pas encore si longtemps de çà, un langage était soit interprété soit compilé.

Interprété signifie que l’on peut lancer directement l’exécution du programme correspondant au code source.

Dans un langage interprété, le code source peut prendre 2 formes :

Dans le 1^ier cas, on exécutera un programme nommé interpréteur Python qui, comme son nom l’indique, interprète et exécute les instructions Python qu’on lui soumet. Par défaut, l’interpréteur se lance dans un mode appelé interactif qui consiste à attendre puis à exécuter chaque instruction saisie par l’opérateur, un peu à la manière d’une calculatrice.

Dans le 2^ième cas, on exécutera le même interpréteur mais, cette fois-ci, en lui indiquant le nom d’un fichier contenant du code Python. L’interpréteur exécutera alors, les unes après les autres, les instructions Python contenues dans le fichier et ce, sans aucune intervention de l’opérateur.

Compilé signifie que le code source doit d’abord être transformé sous forme d’un fichier — appelé exécutable — spécifique à la machine et au système d’exploitation sur lesquels on désire l’exécuter grâce à un programme communément appelé compilateur.

Parmi les avantages des langages compilés, on retriendra leur plus grande rapidité par rapport aux langages interprétés et leur fonctionnement autonome (ils ne requièrent pas la présence d’un interpréteur sur la machine).

Les langages interprétés offrent quant à eux une plus grande portabilité. Il est ainsi inutile de recompiler un fichier source codé dans un langage interprété lorsqu’on désire l’exécuter sous Linux alors qu’on l’a codé sous Windows (…à condition de ne pas faire appel à des spécificités de chaque plateforme).

Pour réunir le meilleur des 2 mondes, on trouve maintenant des langages semi-interprétés comme Python, Java, C#.

Ces langages vont transformer le code source, de manière transparente pour l’utilisateur, dans un dialecte appelé bytecode.

Ce bytecode reste indépendant de la plateforme mais autorise une plus grande rapidité d’exécution.

Toutefois, les programmes semi-interprétés nécessitent toujours la présence d’un interpréteur sur la machine (appelé Machine Vituelle dans le cas du langage Java ou framework .Net dans le cas du langage C#). Ainsi, leur vitesse d’exécution reste moindre par rapport aux programmes générés par les compilateurs.

Dans le cadre du langage Python, plusieurs interpréteurs sont disponibles. Ils permettent d'étendre les capacités de Python en lui donnant accès aux bibliothèques proposées par d’autres langages.

Exemples:

La programmation objet est un modèle de programmation (on dit aussi parfois «paradigme») qui consiste à décomposer les fonctionnalités d’un programme en terme d’interactions entre objets plutôt qu’en terme de séquences d’actions (cas du modèle de programmation dit procédural)

Pour tenter d’illustrer les 2 approches, nous allons prendre un exemple qui consiste à calculer la circonférence d’un cercle. Ce traitement informatique se décompose de la façon suivante selon le modèle de programmation choisi :

En Python, les variables ne nécessitent pas d'être déclarées avant leur 1^ière utilisation en spécifiant le type de la valeur qu’elles contiennent : le type est déduit automatiqueme lors de l’affectation d’une valeur à cette variable.

Exemples d’instructions Python :

Dans cet exemple, la variable prompt sera considérée automatiquement de type «texte» alors que la variable anneeNaissance sera considérée de type «numérique entière».

De même, en Python, la nature d’une variable peut évoluer au cours du temps. Par exemple, une variable peut contenir un entier à un moment puis une chaîne de caractères à un autre moment.

Cela signifie que l’on ne peut pas faire d’opérations entre variables de types (vraiment) différents car soit c’est ambigü soit cela n’a aucun sens.

Exemple : Que représente l’expression 'a' + 4 ? Celle-ci doit-elle être évaluée comme ‘e’ c’est-à-dire la 4^ième lettre après le ‘a’ ou comme la chaîne de caractères "a4" c’est-à-dire la mise bout à bout du caractère ‘a’ et du caractère qui représente la valeur 4 ?

En Python, on obtiendra le 1^ier résultat en tapant la commande chr(ord('a')+4) qui sera évaluée par l’interpréteur Python comme le caractère ‘e’ c’est-à-dire celui correspondant au code de la lettre ‘a’ dans le jeu de caractères courant augmenté de 4.

Pour arriver au 2^ième résultat, on tapera la commande 'a' + str(4) qui sera évaluée comme la mise bout à bout de ‘a’ avec la représentation de la valeur 4 sous forme caractère.

On convertit d’abord, grâce à la fonction ord() , la lettre ‘a’ en un entier que l’on additionne avec 4 puis on transforme le résultat obtenu en caractère avec la fonction chr() .

À l’aide de la fonction str(), on représente la valeur 4 sous forme de texte (c’est-à-dire avec un chiffre) puis on le «colle» à la suite de la lettre ‘a’. On dit aussi qu’on concatène les 2 chaines de caractères.

Dans un contexte de chaîne de caractères, l’opérateur + perd donc sa signification d’addition arithmétique.

Pour lever l’ambiguité sur l’opération à effectuer dans les 2 instructions précédentes, on les a codées de manière à effectuer des opérations sur des valeurs de même type (entier ou caractère) pour signifier à Python ce que l’on voulait vraiment faire.

Les possibilités de Python peuvent facilement être étendues grâce à l’adjonction de modules qui donnent accès à des fonctionnalités couvrant de nombreux domaines (bases de données, web, calcul scientifique, réseau, traitement d’images …).

Cette caractéristique fait de Python un langage généraliste.

Vous allez à présent calculer la factorielle d’un nombre N. Celle-ci correspond au produit de tous les nombres entiers strictement positifs inférieurs ou égaux à N.

Il n’existe aucun opérateur (comme +, -, /) pour cette opération.

Cependant Python propose une fonction pour la calculer : celle ci s’appelle factorial().

Cette fonction ne fait pas partie du langage Python proprement dit mais est incluse dans une librairie livrée avec lui.

Pour appeler cette fonction, il faut lui indiquer dans les parenthèses le nombre pour lequel on veut calculer la factorielle. Ce nombre est appelé argument de la fonction.

Cependant, si on tape l’expression factorial(5) pour calculer la factorielle de 5, Python nous affiche une erreur :

Ce message indique que le nom factorial n’est pas reconnu.

En effet, il a été précisé plus haut que la fonction factorial() ne faisait pas partie du langage Python mais d’une librairie.

Ainsi, avant d’appeler une fonction qui fait partie d’une librairie, il faut toujours indiquer à Python dans quelle librairie il peut la trouver. Ceci se fait à l’aide de l’instruction import suivie du nom de la librairie.

Dans le cas de la fonction factorial(), il s’agit de la librairie math.

Ensuite, il suffit d’appeler la fonction avec la syntaxe suivante math.factorial(5).

Python possède une caractéristique intéressante qui permet d’obtenir facilement de l’aide sur un mot clé du langage, une fonction ou une librairie.

Pour cela, il suffit d’appeler la fonction help() depuis l’interpréteur Python en lui fournissant en argument le nom du sujet sur lequel on désire afficher l’aide.

Dans les activités précédentes, des calculs ont été réalisés directement sur des valeurs numériques. Ces valeurs sont appelées valeurs littérales.

Il faut éviter au maximum d’utiliser les valeur littérales dans les programmes. On doit au contraire privilégier l’utilisation de variables.

Comme expliqué dans le chapitre Constitution d’un programme de ce cours, les variables sont des noms qui font référence à des emplacements de la mémoire où sont stockées des valeurs.

Lorsqu’on veut modifier le contenu d’un emplacement mémoire on réalise une affectation à l’aide de l’opérateur = qui prend ici une signification différente de celle qui lui est accordée en mathématique.

Ainsi, en Python, x = 3 signifie «mettre la valeur 3 dans l’emplacement mémoire référencé par l’identificateur noté x».

En mathématique, x = 3 représente une égalité et peut également s'écrire 3 = x. Cette dernière écriture, n’a aucune signification en Python. La preuve:

Pour lire le contenu d’une variable, il suffit de saisir son nom.

Pour affecter (assign en anglais) à la variable y le double de la variable x, on écrit:

Les variables peuvent contenir des valeurs de nature vraiment différente.

On a vu dans le chapitre Constitution d’un programme que les variables pouvaient notamment contenir des nombres ou du texte,

Lors de l’affectation d’une variable, Python va déterminer automatiquement le type de celle-ci afin de déterminer les opérations qu’il est possible ou non de réaliser sur elle.

Python dispose d’une fonction qui permet d’afficher le type qu’il a déterminé pour une variable. C’est la fonction type() à laquelle on passe le nom de la variable en argument.

Notre découverte le l’interpréteur Python en mode interactif touche à sa fin.

Ce mode d’utilisation de Python est très pratique pour tester des commandes/fonctions de Python.

Cependant, il n’est guère adapté pour rejouer une séquence de commandes à laquelle on désire apporter ne serait-ce qu’une seule petite modification car cela implique de saisir à nouveau toutes les commandes et les exécuter les unes après les autres.

Un autre inconvénient du mode interactif est de perdre tout ce qui a été tapé lorsqu’on quitte l’interpréteur.

Nous allons voir à présent comment écrire et exécuter des scripts Python.

Quittez Python avec la séquence de touche Ctrl+D ou Ctrl+Z ou en tapant la fonction exit() ou raise SystemExit.

Pour découvrir sous un aspect «ludique» le monde des scripts, vous allez réaliser des dessins (rudimentaires) en Python.

Rassurez-vous, Python propose un module qui va vous faciliter grandement la tâche.

Ce module s’appelle turtle.

turtle met à votre disposition un ensemble de fonctions qui vont reproduire le comportement d’un crayon sur une feuille sur laquelle on désirerait dessiner.

Voici quelques unes des fonctions du module turtle :

Dans le code qui précède, vous pouvez remarquer que la séquence suivante est répétée 3 fois:

C’est le genre de situation qu’il faut absolument éviter dans les programmes.

Tous les langages proposent à cet effet d'instructions de boucle.

En Python, il y en a une, appelée for, qui va permettre de répéter un certain nombre de fois un bloc d’instructions.

Pour que Python distingue les instructions à répéter de celles qui ne doivent pas l'être, il impose de les indenter les unes par rapport aux autres.

Indenter consiste simplement à décaler une ou plusieurs instructions en les faisant précéder d’une tabulation ou de caractères d’espace.

La valeur de décalage importe peu du moment qu’elle est cohérente sur l’ensemble du bloc d’instructions à répéter.

Cette indentation obligatoire est une des spécificités de Python qui contribuent à rendre les programmes très lisibles.

Chaque passage dans la boucle s’appelle aussi une itération.

Il est souvent nécessaire pour un programme de demander à l’utilisateur qu’il rentre des valeurs qui conditionneront le déroulement du programme.

Python dispose en standard d’une fonction qui permet cela : raw_input().

Cette fonction renvoie au programme ce qui a été saisi au clavier par l’utilisateur sous forme de chaîne de caractères.

Cette chaîne de caractère peut ensuite être convertie en valeur numérique.

Exemples d’utilisation:

Le déroulement d’un programme dépend souvent des circonstances rencontrées.

Pour gérer cette situation, les langages proposent tous des instructions qui testent des conditions et aiguillent le déroulement du programme.

En Python, une des ces instructions est if <condition> : … else: …

Exemple d’utilisation:

Il est possible d’enchaîner des tests avec une structure if <condition> :…elif:… else: …

Exemple :

Jusqu'à présent, vous avez utilisé des fonctions proposées par Python ou un de ses modules. Cependant, il est très fréquent et même recommandé de décomposer votre code source en fonctions renfermant les traitements de vos scripts : vous y gagnerez en lisibilité, modularité, réutilisabilité, maintenance de code.

Une fonction se définit dans un bloc introduit par le mot clé def suivi du nom de la fonction et de la liste de ses paramètres entre parenthèses séparés par des virgules.

Les paramètres correspondent aux informations dont la fonction a besoin pour réaliser le traitement dont elle a la charge.

Le déroulement d’une fonction se termine par une instruction return qui retourne le résultat du traitement.

Exemple d’une fonction calculant la circonférence d’un cercle:

La variable leRayon est parfois appelée paramètre formel tandis que la variable r est appelée paramètre effectif. On parle aussi, de manière générale, d' arguments.

La variable leRayon n’est connue que dans le bloc de définition de la fonction. Un argument apparait donc comme une variable locale à la fonction et son affectation se fait au moment de l’appel.

Ainsi, dans l’exemple précédent leRayon prend la valeur de r lorsque Python exécute calculerCirconference(r).

Une fonction doit toujours être définie avant la ligne où elle est appelée.